CN112903525A - 一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置和测量方法，本装置利用超临界流体密度受纯度影响波动较大的特点，通过测得的CO2工质实时密度，与数显计算模块中预先储存的不同纯度的CO2的密度值进行对比，进而得出被测样气的超临界CO2工质纯度。该装置结构简单合理，占地体积小，可以有效降低工质纯度测量成本，实现在线实时监测超临界二氧化碳工质纯度。
Description
技术领域
本发明涉及在火电、核电、化工、制冷、航空和航天等领域应用的仪器仪表计量技术领域，特别涉及一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置和测量方法。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环可以在620℃温度等级达到蒸汽朗肯循环700℃的效率，作为新型先进动力循环具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。近年来，以超临界二氧化碳动力循环为基础的新型动力系统受到国内外学术界和工业界的广泛关注，并逐渐投入应用。
作为循环工质，超临界二氧化碳的物性参数是影响系统循环热效率的重要因素，而超临界状态下的二氧化碳纯度对物性参数的影响是十分明显的。目前测量纯度的方法主要采用气相色谱分析法，该方法是利用分子作用力的不同，将测试样气带入色谱柱中，观察样气各组分流出色谱柱的时间来确定样气的成分。该方法虽然应用范围较广，分析速度较快，但对于纯度较高的二氧化碳样气，该方法不能直接检测二氧化碳浓度，只能检测杂质气体的含量后，采用差值得出二氧化碳浓度，使得结果极易出现误差，且在实际管道采样时，CO2工质极易在采样管道中生成干冰，对检测精度产生干扰，同时气相色谱分析法设备较为复杂，组件众多，重量较大难以移动，分析含量在百万分之十几的杂质气体时成本较高，只适合在实验室开展分析工作，这给在线监测超临界二氧化碳工质纯度的工作带来很大的困难。
由于在超临界状态下，万分之一的纯度差会使二氧化碳密度最高出现百分之五的差别，可以采用超临界二氧化碳的这种特性对被测样气的纯度进行分析。该方法精确性高，灵敏度好且成本较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有纯度测量技术的缺点，提供一种具有测量便捷、精确性高、灵敏可靠特点的在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置和测量方法，该装置利用超临界流体密度受纯度影响波动较大的特点，逆向实现超临界二氧化碳循环工质纯度的高精度测量。
为实现上述技术效果，本发明的具体技术方案如下：
一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，包括数显计算模块1、温度变送器2、压力变送器3、本体支架4、压阻传感器5、密封填料6、连杆7、CO2膜盒8、导向管套9和外管道10；所述外管道10与被测CO2样气管道连通，主体支架4固定在外管道10内，主体支架4上固定置放CO2膜盒8，CO2膜盒8的筒体为刚性材料，顶盖为可压缩顶盖，CO2膜盒8中封装预设质量常温常压的CO2气体，连杆7为刚性材料，其的底部和CO2膜盒8的可压缩顶盖固定连接，连杆7穿过导向管套9，导向套管9中有密封填料6起密封作用，压阻传感器5布置在导向管套9顶部，连杆7的顶部压在压阻传感器5上，连杆7能够在导向套管9中轴向无约束移动；温度变送器2和压力变送器3穿过外管道10管壁插入主体支架4中；所述数显计算模块1与温度变送器2、压力变送器3和压阻传感器5连接。
所述主体支架4中的被测CO2样气上游布置压力变送器3，主体支架4中被测CO2样气下游布置温度变送器2，避免连杆7运动对压力变送器3测量压力值的干扰，同时避免温度变送器2对压力变送器3测量压力值的干扰。
所述连杆7在安装时顶部与压阻传感器5的接触面有一定的预紧压力。
所述CO2膜盒8的可压缩顶盖为波纹盖受压能够产生轴向形变，筒体材质为预设温度压力下呈刚性的硬质合金金属材料；所述CO2膜盒封装后对波纹盖的轴向形变与CO2膜盒内体积的对应关系进行调试记录。
所述密封填料6采用碳纤维或柔性石墨密封材料，通过预紧或被测样气的压力自紧作用使密封填料6与导向管套9紧密连接，同时不影响连杆7自由端的轴向位移。
所述连杆7的材质为预设温度压力下呈刚性的硬质合金金属材料，所述连杆7的底部与CO2膜盒的可压缩顶盖固定连接，并能够跟随可压缩顶盖的轴向形变一同产生轴向位移，所述连杆顶部形状为伞状，安装时连杆的伞状顶部覆盖在压阻传感器5上，安装后对连杆7的轴向位移、CO2膜盒8内体积和压阻传感器5的对应关系进行调试记录，并存储于数显计算模块1中。
所述数显计算模块1中预先储存有通过商用物性软件计算得到的不同纯度的CO2在一系列压力温度条件下的密度值，所述数显计算模块1带有通讯接口，将被测样气的超临界CO2纯度输出到PLC或DCS计算机控制系统。
所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置的纯度测量方法，将本装置的外管道10与被测CO2样气管道连通，CO2膜盒8置于被测CO2样气的氛围中，由于CO2膜盒8内外的CO2工质存在密度差且CO2膜盒8的筒体为刚性材料，CO2膜盒8外的CO2工质即被测CO2样气会驱动CO2膜盒8的可压缩顶盖产生轴向形变，由于CO2膜盒8的可压缩顶盖与连杆7底部是固定连接，且连杆7无其他约束，同时连杆7材质为刚性的金属材料，CO2膜盒8的可压缩顶盖的轴向形变会带动连杆7的轴向位移；由于连杆7顶部覆盖在压阻传感器5上，连杆7在安装时顶部与压阻传感器5的接触面有一定的预紧压力，连杆7的轴向位移会改变连杆7顶部与压阻传感器5之间的压力，压阻传感器5将压力变化传送给数显计算模块1，同时温度变送器2和压力变送器3将实时的温度压力信息也传送给数显计算模块1，数显计算模块1根据压阻传感器5传来的压力信号计算出连杆7的轴向位移和CO2膜盒8的可压缩顶盖的轴向形变，由于CO2膜盒8的筒体为刚性材料，不会因工质压力变化发生形变，所以可以根据CO2膜盒8的可压缩顶盖的轴向形变计算出CO2膜盒8的体积变化，得出该工况下CO2膜盒8的体积，同时CO2膜盒8内封装的CO2工质质量是已知的，由于此时CO2膜盒8内外的CO2密度相同，进而计算出此时被测样气的密度，同时数显计算模块1根据温度变送器2和压力变送器3传送的实时温度压力信息查询出该温度压力下不同纯度CO2的密度表，将实时的被测样气密度与密度表中的数据进行对比，得到此时的被测样气的纯度。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用超临界流体密度受纯度影响波动较大的特点，将封装有一定质量CO2工质的CO2膜盒放置于被测样气的环境中，通过测得的CO2工质实时密度，与数显计算模块中预先储存的不同纯度的CO2的密度值进行对比，进而得出被测样气的超临界CO2纯度。用户可以通过数显计算模块在线监测被测样气的超临界CO2纯度。
进一步，本发明采用的技术方法相较于气相色谱分析等现有纯度测量技术,检测的精度高，投资和维护成本可以大幅降低。同时，该装置结构简单合理，成套设备占地体积小，安装灵活简便，可以实现在线实时监测被测样气的超临界CO2纯度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为连杆和压阻传感器的结构示意图。
图3为本发明的外形结构图。
其中，1为数显计算模块，2为温度变送器，3为压力变送器，4为本体支架，5为压阻传感器，6为密封填料，7为连杆，8为CO2膜盒，9为导向管套，10为外管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，包括数显计算模块1，温度变送器2，压力变送器3，本体支架4，压阻传感器5，密封填料6，连杆7，CO2膜盒8，导向管套9，外管道10。
CO2膜盒8中封装了一定质量常温常压的CO2工质，实验时本装置的外管道10与被测CO2样气的管道通过焊接连接到一起，CO2膜盒8置于被测CO2样气的氛围中，由于CO2膜盒8内外的CO2工质存在密度差且CO2膜盒8的筒体为刚性材料，CO2膜盒8外的CO2工质即被测CO2样气会驱动CO2膜盒8的波纹盖产生轴向形变，由于CO2膜盒8的波纹盖与连杆7底部是固定连接，且连杆7无其他约束，同时连杆7材质为刚性的金属材料，CO2膜盒8的波纹盖的轴向形变会带动连杆7的轴向位移。由于连杆7顶部呈伞状并覆盖在压阻传感器5上，连杆7在安装时顶部与压阻传感器5的接触面有一定的预紧压力，连杆7的轴向位移会改变连杆7顶部与压阻传感器5之间的压力，压阻传感器5将压力变化传送给数显计算模块1，同时温度变送器2和压力变送器3将实时的温度压力信息也传送给数显计算模块1，数显计算模块1可以根据压阻传感器5传来的压力信号计算出连杆7的轴向位移和CO2膜盒8的可压缩顶盖的轴向形变，由于CO2膜盒8的筒体为刚性材料，不会因工质压力变化发生形变，所以可以根据CO2膜盒8的可压缩顶盖的轴向形变计算出CO2膜盒8的体积变化，得出该工况下CO2膜盒8的体积，同时CO2膜盒8内封装的CO2工质质量是已知的，由于此时CO2膜盒8内外的CO2密度相同，进而计算出此时被测样气的密度，同时数显计算模块1根据温度变送器2和压力变送器3传送的实时温度压力信息查询出该温度压力下不同纯度CO2的密度表，将实时的被测样气密度与密度表中的数据进行对比，得到此时的被测样气的纯度。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：包括数显计算模块(1)、温度变送器(2)、压力变送器(3)、本体支架(4)、压阻传感器(5)、密封填料(6)、连杆(7)、CO2膜盒(8)、导向管套(9)和外管道(10)；所述外管道(10)与被测CO2样气管道连通，主体支架(4)固定在外管道(10)内，主体支架(4)上固定置放CO2膜盒(8)，CO2膜盒(8)的筒体为刚性材料，顶盖为可压缩顶盖，CO2膜盒(8)中封装预设质量常温常压的CO2气体，连杆(7)为刚性材料，其的底部和CO2膜盒(8)的可压缩顶盖固定连接，连杆(7)穿过导向管套(9)，导向套管(9)中有密封填料(6)起密封作用，压阻传感器(5)布置在导向管套(9)顶部，连杆(7)的顶部压在压阻传感器(5)上，连杆(7)能够在导向套管(9)中轴向无约束移动；温度变送器(2)和压力变送器(3)穿过外管道(10)管壁插入主体支架(4)中；所述数显计算模块(1)与温度变送器(2)、压力变送器(3)和压阻传感器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述主体支架(4)中的被测CO2样气上游布置压力变送器(3)，主体支架(4)中被测CO2样气下游布置温度变送器(2)，避免连杆(7)运动对压力变送器(3)测量压力值的干扰，同时避免温度变送器(2)对压力变送器(3)测量压力值的干扰。
3.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述连杆(7)在安装时顶部与压阻传感器(5)的接触面有一定的预紧压力。
4.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述CO2膜盒(8)的可压缩顶盖为波纹盖受压能够产生轴向形变，筒体材质为预设温度压力下呈刚性的硬质合金金属材料；所述CO2膜盒封装后对波纹盖的轴向形变与CO2膜盒内体积的对应关系进行调试记录。
5.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述密封填料(6)采用碳纤维或柔性石墨密封材料，通过预紧或被测样气的压力自紧作用使密封填料(6)与导向管套(9)紧密连接，同时不影响连杆(7)自由端的轴向位移。
6.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述连杆(7)的材质为预设温度压力下呈刚性的硬质合金金属材料，所述连杆(7)的底部与CO2膜盒的可压缩顶盖固定连接，并能够跟随可压缩顶盖的轴向形变一同产生轴向位移，所述连杆顶部形状为伞状，安装时连杆的伞状顶部覆盖在压阻传感器(5)上，安装后对连杆(7)的轴向位移、CO2膜盒(8)内体积和压阻传感器(5)的对应关系进行调试记录，并存储于数显计算模块(1)中。
7.根据权利要求1所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置，其特征在于：所述数显计算模块(1)中预先储存有不同纯度的CO2在一系列压力温度条件下的密度值，所述数显计算模块(1)带有通讯接口，将被测样气的超临界CO2纯度输出到PLC或DCS计算机控制系统。
8.权利要求1至7任一项所述的一种在线监测超临界二氧化碳工质纯度的装置的纯度测量方法，其特征在于：将本装置的外管道(10)与被测CO2样气管道连通，CO2膜盒(8)置于被测CO2样气的氛围中，由于CO2膜盒(8)内外的CO2工质存在密度差且CO2膜盒(8)的筒体为刚性材料，CO2膜盒(8)外的CO2工质即被测CO2样气会驱动CO2膜盒(8)的可压缩顶盖产生轴向形变，由于CO2膜盒(8)的可压缩顶盖与连杆(7)底部是固定连接，且连杆(7)无其他约束，同时连杆(7)材质为刚性的金属材料，CO2膜盒(8)的可压缩顶盖的轴向形变会带动连杆(7)的轴向位移；由于连杆(7)顶部覆盖在压阻传感器(5)上，连杆(7)在安装时顶部与压阻传感器(5)的接触面有一定的预紧压力，连杆(7)的轴向位移会改变连杆(7)顶部与压阻传感器(5)之间的压力，压阻传感器(5)将压力变化传送给数显计算模块(1)，同时温度变送器(2)和压力变送器(3)将实时的温度压力信息也传送给数显计算模块(1)，数显计算模块(1)根据压阻传感器(5)传来的压力信号计算出连杆(7)的轴向位移和和CO2膜盒(8)的可压缩顶盖的轴向形变，由于CO2膜盒(8)的筒体为刚性材料，不会因工质压力变化发生形变，所以能根据CO2膜盒(8)的可压缩顶盖的轴向形变计算出CO2膜盒(8)的体积变化，得出该工况下CO2膜盒(8)的体积，同时CO2膜盒(8)内封装的CO2工质质量是已知的，由于此时CO2膜盒(8)内外的CO2密度相同，进而计算出此时被测样气的密度，同时数显计算模块(1)根据温度变送器(2)和压力变送器(3)传送的实时温度压力信息查询出该温度压力下不同纯度CO2的密度表，将实时的被测样气密度与密度表中的数据进行对比，得到此时的被测样气的纯度。
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